【科学背景】
固态电解质（SSEs）是全固态锂离子电池的核心组件，主要包括无机、有机聚合物和混合类型。无机SSEs具有高离子电导率、优异的热稳定性和高锂离子迁移数等优势，因此备受关注。硫化物基无机SSEs在室温下具有10⁻² S cm⁻¹级别的离子电导率，可与传统液体电解质相媲美，但固有地对水分敏感且电极兼容性差。氧化物SSEs显示出比硫化物更好的电化学稳定性，但其不足的室温离子电导率（10⁻⁴ – 10⁻³ S cm⁻¹）和需要高温处理使其难以单独支持全固态电池。卤化物基SSEs，特别是氯化物，由于其适中的离子电导率（10⁻³ S cm⁻¹级别）和与层状氧化物正极活性材料的良好兼容性而重新引起兴趣。鉴于不同阴离子化学在离子电导率和（电）化学稳定性方面的独特优势，混合阴离子化学是改进SSEs的一个有前景但未充分探索的机会。
【创新成果】
针对以上挑战，加拿大西安大略大学（东方理工学院）孙学良院士团队联合美国马里兰大学莫一非教授等研究者通过混合阴离子设计策略，开发了结晶Li₃Ta₃O₄Cl₁₀（LTOC）及其衍生物，这些物质具有优异的离子电导率（在25°C时高达13.7毫西门子每厘米）和电化学稳定性。LTOC结构具有混合阴离子螺旋链，由角共享的氧原子和末端氯原子组成，这诱导了具有低能垒的连续“四面体-四面体”锂离子迁移路径。此外，LTOC展示了全面的正极兼容性，使固态电池能够在4.9伏（相对于Li/Li⁺）和低至–50°C的低温下运行。这些发现描述了一类用于高性能固态电池的有前景的超离子导体。
【数据概览】
图1 阴离子亚晶格设计朝向低能垒锂离子迁移路径的示意图© 2025 AAAS
图2 Li₃Ta₃O₄Cl₁₀（LTOC）固态电解质的独特晶体结构和理想的锂离子迁移路径© 2025 AAAS
图3 LTOC固态电解质的锂离子传导特性© 2025 AAAS
图4 使用NCM83正极的LTOC基全固态电池的电化学性能© 2025 AAAS
【科学启迪】
总之，阴离子亚晶格设计被证明在实现高离子电导率方面有效果，在结晶LTOC SSE中达到高达13.7 mS cm⁻¹。LTOC晶体结构具有角共享的O原子和末端Cl原子，形成3D螺旋Ta-O/Cl框架，结合欠配位的Li亚晶格。这种排列实现了理想的“四面体-四面体”锂离子迁移路径，导致LTOC材料的超离子传导特性。此外，基于LTOC的SSE展示了关键性能，如正极兼容性、湿度稳定性、锂金属兼容性、低压操作和经济可行性。LTOC的应用已在NCM83和LCO固态电池中得到证明，在室温和低温（低至−50°C）下运行数千次稳定循环。基于LTOC的氧氯化物SSE例证了阴离子亚晶格设计如何克服单阴离子化学的结构限制，实现了增强的结构功能和材料性能的重大改进。
原文信息：Feipeng Zhao et al. ,Anion sublattice design enables superionic conductivity in crystalline oxyhalides. Science390, 199-204(2025). DOI:10.1126/science.adt9678
